CN112393598B - 喷雾降温式燃气喷吹烧结机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机及控制方法，所述烧结机包括烧结机轨道、设于烧结机轨道的烧结机台车、位于烧结机头部的点火装置、以及燃气喷吹装置，所述燃气喷吹装置设于烧结机的燃气喷吹位置以在所述烧结机台车从其所在的位置经过时向所述烧结机台车的烧结料面喷吹燃气；进一步包括喷雾装置，所述喷雾装置设于所述点火装置与燃气喷吹装置之间的位置，以在所述烧结机台车从其所在的位置经过时向所述烧结机台车的烧结料面喷吹雾化水。该烧结机针对燃气喷吹装置存在的易着火、生产不稳定的问题，设置了喷雾装置，能有效的避免上述问题。

Description

喷雾降温式燃气喷吹烧结机及其控制方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及在烧结矿生产过程中所使用的带喷雾降温功能的燃气喷吹烧结机。本发明还涉及用于控制所述燃气喷吹烧结机的方法。

背景技术

烧结工艺是炼铁流程中的一个关键环节，其原理是将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化，烧结成块，从而送往高炉进行下一步工序。

烧结是我国钢铁冶炼主要的原料加工工艺，75％以上的高炉原料来源于烧结矿。但烧结是典型的高能耗、高污染行业，其能耗居钢铁工业第二位，污染负荷占钢铁工业的40％而居首位。随着环保要求的日益严格，研究和开发高能效低排放烧结清洁生产技术及其装备，对支撑我国钢铁工业产业升级、实现绿色可持续发展具有重大意义。

燃气喷吹强化烧结技术是现阶段较先进的一种烧结绿色化改造技术。它是通过在点火段之后往烧结料层表面喷射稀释到燃烧浓度以下的燃气的方式用来代替烧结添加的部分焦粉，使部分燃料从顶部进入烧结料层并在燃烧带上部附近燃烧。该技术可有效避免烧结峰值温度过高，延长烧结有益温度的持续时间，从而提高烧结矿强度和还原度，降低高炉生产时的焦比，并且有效降低整个生产工序中CO₂的排放量。

燃气喷吹方法虽能给烧结工艺带来显著的节能和减排效果，但同时也仍然存在着缺陷，制约了该技术的推广和应用。主要表现在以下几点：

1)燃气喷吹起始点如果设置过前，则容易在料面着火。

燃气喷吹的起始点位置，如果设置得太靠近烧结机机头，则刚出点火炉的红热料面容易将喷出燃气点燃，这样不但燃气没有强化烧结效果，而且容易烧坏罩内管排设施，影响正常生产。

2)燃气喷吹起始点如果设置过后，则强化烧结效果不明显。

燃气喷吹的起始点如果设置过后，则着火现象能够得到有效压制，但是由于烧结机为抽风作业式生产，其上部料层没有得到热风蓄热效应，是最需要补热的区域。而燃气如果太晚喷入，此时燃烧带已经下移到料层中部位置，上部料层无法得到燃气补热，从而导致整体燃气喷吹强化烧结效果不明显，甚至有可能出现烧结矿次品率上升的现象。

综上，目前的燃气喷吹技术，在喷吹起始点的位置选择上存在关键性待解决问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机。该烧结机针对燃气喷吹装置存在的易着火、生产不稳定的问题，设置了喷雾装置，能有效的避免上述问题。

本发明的另一目的是提供一种用于控制所述喷雾降温式燃气喷吹烧结机的方法。

为实现上述目的，本发明提供一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机，包括烧结机轨道、设于烧结机轨道的烧结机台车、位于烧结机头部的点火装置、以及燃气喷吹装置，所述燃气喷吹装置设于烧结机的燃气喷吹位置以在所述烧结机台车从其所在的位置经过时向所述烧结机台车的烧结料面喷吹燃气；进一步包括喷雾装置，所述喷雾装置设于所述点火装置与燃气喷吹装置之间的位置，以在所述烧结机台车从其所在的位置经过时向所述烧结机台车的烧结料面喷吹冷却介质，使烧结料面温度降低至燃气着火温度以下。

优选地，所述喷雾装置包括多个喷雾单元，各所述喷雾单元分别包括设有喷吹口的外罩、设于所述外罩内部的喷水部件和雾化部件，所述喷水部件喷出的冷却水经所述雾化部件雾化后从所述外罩的喷吹口喷出。

优选地，所述雾化部件包括设于所述喷水部件喷水路径上的一次雾化机构和设于所述一次雾化机构下游的二次雾化机构。

优选地，所述一次雾化机构包括设有转轴的辐条以及驱动所述辐条绕转轴旋转的辐条电机；所述二次雾化机构包括设有转轴的扇叶以及驱动所述扇叶绕转轴旋转的扇叶电机。

优选地，所述外罩在底部位置设有集水槽。

优选地，所述喷水部件包括进水主管、多个支管、环管以及喷头组件；所述进水主管大体处于所述环管的中心处，各所述支管的一端连通所述进水主管，另一端连通所述环管；所述喷头组件沿圆周方向排列分布并与所述环管相连通。

优选地，所述喷头组件沿圆周方向在扇形范围或整圆范围内排列分布，各所述喷头组件分别设有多个沿径向方向排列分布的喷头。

优选地，所述喷雾装置在烧结机上位于所述烧结机台车的侧方位或者位于所述烧结机台车的上方区域。

为实现上述另一目的，本发明提供一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法，用于控制上述设有扇叶和辐条的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，包括：

测量点火装置出口处料面温度T_测量；

确定雾化水量Q_雾；

确定扇叶旋转角速度W₁；

调节扇叶电机转速，使扇叶角速度至W₁；

确定雾化直径D_雾；

确定辐条转速W₂；

调节辐条电机转速，使辐条角速度至W₂。

进一步地，根据公式

计算雾化水量Q_雾，式中Q_料是表层烧结矿物料量；C_料是物料平均比热容；T_测量和T_目标分别是料面温度测量值和料面目标冷却温度；C_雾是雾化水平均比热；T_水1和T_水2分别是水雾与料面换热前后的温度。

进一步地，根据公式

计算扇叶旋转角速度W₁，式中k3是比例系数。

进一步地，根据公式

和k＝k₁·k₂计算雾化直径D_雾，式中，k₁和k₂分别是粒径D_雾和机速V_机相对料面温差的相关系数。

进一步地，根据公式

计算辐条转速W₂，式中k₄是综合比例系数。

本发明在点火装置之后、燃气喷吹装置之前的区域设有喷雾装置，利用喷雾装置可以向烧结料面喷吹少量雾化水，利用水雾在料面的蒸发吸热作用，将烧结矿表面温度迅速降低至燃气着火温度以下，消除该区域料面红热高温点，进而降低燃气着火几率，保证后续燃气喷吹的安全性，这样便能够将燃气喷吹起始点往前移，而又不易着火，解决了燃气喷吹起始点无法在不着火的前提下前移的问题，可达到进一步强化烧结效果的目的。

本发明提供的喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法用于上述喷雾降温式燃气喷吹烧结机，由于所述喷雾降温式燃气喷吹烧结机具有上述技术效果，则喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法也应具有相应的技术效果。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图；

图2为单个喷雾单元的剖视图；

图3为图2所示喷雾单元的A向视图；

图4为喷水部件的结构示意图；

图5为本发明实施例公开的另一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图；

图6为图5的局部俯视图；

图7为本发明所提供喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法的流程图。

图中：

1.点火炉罩 2.点火烧嘴 3.台车 4.风箱 5.大烟道 6.轨道 7.燃气喷吹罩 8.燃气喷吹管 9.喷雾装置 91.外罩 92.花洒 93.辐条 94.扇叶 95.转轴 96.扇叶电机 97.集水槽 98.辐条电机 921.进水主管 922.支管 923.环管 924.喷头组件

具体实施方式

本发明拟解决现有技术存在的燃气喷吹起始点无法在不着火的前提下前移的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图的不同，相应的位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定；而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参考图1，图1为本发明实施例公开的一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图。

如图所示，在一种具体实施例中，本发明所提供的烧结机在头部位置设置有点火炉罩1，点火炉罩1内安装有点火烧嘴2，若干个烧结机台车3首尾相连安装在烧结机上，烧结机台车车轮安装在烧结机轨道6上，台车3沿烧结机轨道6运行，轨道6下方安装有底部风箱4，风箱4上部正台车底部，风箱4下部与烧结大烟道5相连接。

烧结开始前，先将铁矿石和焦炭、白云石等的混合料从烧结机前部装填进烧结台车3。装填满烧结料台车3在经过点火炉罩1下方时，由点火烧嘴2将烧结料表面的焦炭等点燃，在料层表面形成一层薄薄的燃烧带，台车继续沿轨道向烧结机尾部运行。烧结大烟道5内维持一定的负压(一般约14kPa)，保证烧结机上部台车3处于抽风状态，料层上方的空气被抽入烧结料层内。在抽风作用下，料层下部的物料逐渐被上部燃烧带点燃，表层的燃烧带最终移动至台车3底部，完成物料的烧结。烧结完成的成品矿从烧结机尾部排出，烧结过程形成的废气则从底部烧结大烟道5抽走。

为强化烧结效果，在点火炉罩1后方的烧结机台车上部增设了燃气喷吹罩7，喷吹罩7内设置有燃气喷吹管8。在烧结配料时，适当降低料层配煤比，将烧结所需的一部分热量以燃气喷吹的形式送入料层。烧结过程中，通过燃气喷吹管8将稀释到爆炸极限以下的燃气喷洒在烧结料层表面空间，使其被抽入料层内，利用燃气对烧结料层进行补热，强化烧结过程。研究表明，该技术可以显著改善传统烧结方法燃料偏析严重、料层供热不合理的问题，对烧结过程的节能和减排效果明显。

喷雾装置9设于点火炉罩1与燃气喷吹罩7之间的位置，处于烧结机台车3的一侧或两侧，其喷雾范围具有一定长度和宽度，能够覆盖其所在位置的烧结机台车3的烧结料面，以在烧结机台车3从其所在的位置经过时，从一侧或两侧向烧结机台车3的烧结料面喷吹雾化水或水蒸气等冷却介质，使烧结料面温度降低至燃气着火温度以下。

与现有技术相比，本发明在点火炉罩1后部、燃气喷吹罩7前部增设了冷却水喷雾装置9，通过在烧结机前部料面(靠近点火炉的烧结料面)上喷吹少量雾化水，利用水雾在料面的蒸发吸热作用，将烧结矿表面温度迅速降低至燃气着火温度以下，保证燃气喷吹安全性。

请参考图2、图3，图2为单个喷雾单元的剖视图；图3为图2所示喷雾单元的A向视图。

如图所示，喷雾装置具有多个喷雾单元，各喷雾单元主要由外罩91、花洒92、辐条93、扇叶94、转轴95、扇叶电机96、集水槽97和辐条电机98等部件组成。

辐条93在辐条电机98的驱动下，可以绕转轴旋转；扇叶94在扇叶电机96的驱动下，可以绕转轴95旋转，辐条93的转轴与扇叶94的转轴位于同一轴线上，两者可分别独立旋转。

工作时，冷却水先从花洒92内喷出，被分成若干股细小的水流。这些细小的水流向前穿过高速旋转的辐条93时，被辐条93切割成细小的液滴，完成一次雾化。扇叶94在转轴95的带动下飞速旋转，在扇叶94后部形成一个负压区。穿过辐条93的小液滴在负压区由于压力降低，会进一步破碎成尺寸更加小的液滴，完成二次雾化，二次雾化后的液滴从扇叶94前部送出，形成雾化水，送入烧结料面，给红热料面降温。

另外，由于喷雾装置9布置在侧方位，辐条93和扇叶94的转轴垂直于台车侧面所在的平面，为防止未雾化的水直接流入烧结料面，影响烧结正常生产，在保护罩91下部设置有燕尾形状的集水槽97，收集雾化不完全的大颗粒水滴；同时，还将花洒92设置在辐条93外侧的上部区域，在辐条93的外侧下部区域不设置花洒92，以使花洒92喷出的水有足够的时间和行程进行雾化，而不会直接流入烧结料面或进入集水槽97。

请一并参考图4，图4为喷水部件的结构示意图。

如图所示，作为喷水部件的花洒92主要由进水主管921、多个支管922、环管923以及喷头组件924；进水主管921大体处于环管923的中心处，各支管922沿径向方向延伸，其一端连通进水主管921，另一端连通环管923，喷头组件924沿圆周方向在扇形范围内排列分布并与环管923相连通，各喷头组件924分别设有多个沿径向方向排列分布的喷头。这样，可以使喷水部件的喷水区域对应辐条93和扇叶94的上半部分。

工作时，冷却水从进水主管921进入后，依次经过支管922和环管923后，被分成若干股细小的水流从喷头喷出。

请参考图5、图6，图5为本发明实施例公开的另一种喷雾降温式燃气喷吹烧结机的结构示意图；图6为图5的局部俯视图。

如图所示，喷雾装置9既可以像上述实施例那样安装在烧结机的一侧或两侧，也可以架设在烧结机上方，采用这种结构之后，喷雾装置9的喷吹口朝向下方，正对台车3的烧结料面，由于其辐条93和扇叶94的转轴呈垂直而不是水平状态，因此相对于上述实施例，可以省去在保护罩91下部设置的集水槽97，同时，花洒92喷头组件924也可以沿圆周方向在整圆范围内排列分布。

本实施例中，与实施例一相同的部分，给予相同的附图标记，并省略相同的文字说明。

上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，在点火炉罩1与喷吹罩7之间并不排除还可以设置其他装置，或者，多个喷雾单元的外罩为一体式结构，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

请参考图7，图7为本发明所提供喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法的流程图。

在烧结机生产过程中，烧结机产量和点火强度等参数存在波动，为获得稳定的料面冷却效果，雾化装置的雾化水量和雾化程度等需要进行相应控制。因此，本发明同时提供了该烧结机的相应控制方法，以实现雾化水量和雾化程度等随烧结机产量、机速和点火强度等烧结工况参数的自动调节。

本专利同时提供了该装置系统的相应控制方法。

(1)雾化水量Q雾控制

由热平衡关系可知，在忽略散热损失的情况下，物料降温释放的热量等于雾化水升温和汽化吸收的热量，即：

式中Q_料是表层烧结矿物料量；C_料是物料平均比热容；T_测量和T_目标分别是料面温度测量值和料面目标冷却温度；C_雾是雾化水平均比热(含汽化吸热热)；T_水1和T_水2分别是水雾与料面换热前后的温度。

(2)雾化程度控制

实验表明，料面降温效果与雾化水粒径D_雾和烧结机机速V_机成负相关，即D_雾越大，烧结机机速越大，则料面降温效果越差。这是由于粒径越大，越不利于液滴与料面之间的传热，同时，机速越大，换热时间越短，因此换热效果越差。上述关系可由下式表示：

k＝k₁·k₂公式(3)

式中，k₁和k₂分别是粒径D_雾和机速V_机相对料面温差的相关系数。

(3)扇叶转速W₁控制

扇叶绕轴心以角速度W₁旋转，在扇叶前后形成压差ΔP，雾化水在压差作用下，从背部抽出，送入烧结料面。由流体力学知识，抽入料面的雾化水量Q_雾与扇叶转速W₁的平方呈正比，即：

Q_雾＝k₃·W₁ ²

式中k₃是比例系数。

(4)辐条转速W₂控制

冷却水依次经过辐条和扇叶，完成两次雾化后，形成平均粒径为D_雾的水雾。D_雾与扇叶和辐条转速W₁和W₂的关系如下：

D_雾＝k₄·W₁·W₂

式中k₄是综合比例系数。

综上，本装置的控制方法可以用如图7所示的流程图表示。下面结合图7，阐述本专利控制方法：

步骤1：测量点火炉出口料面温度T_测量；

步骤2：由公式(1)计算雾化水量Q_雾；

步骤3：由公式(4)计算扇叶旋转角速度W₁；

步骤4：调节扇叶电机转速，使扇叶角速度至W₁；

步骤5：由公式(2)、(3)计算雾化直径D_雾；

步骤6：由公式(5)计算辐条转速W2；

步骤7：调节辐条电机转速，使辐条角速度至W₂。

由于本发明在出点火炉后的料面上喷洒雾化水，使得料面上的红热高温点消失，所以不会有煤气在喷吹过程中遭遇红热点被点燃的情况发生，煤气在料面着火的几率得到大幅降低，煤气的喷吹起始点可以有效前移，基于烧结抽风作业料层自蓄热效应原理，煤气喷吹起始点越往前移动，料层内的偏析燃料分布效果越明显，从而燃气喷吹强化烧结的效果也就更显著。

以上对本发明所提供的喷雾降温式燃气喷吹烧结机及其控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.喷雾降温式燃气喷吹烧结机，包括烧结机轨道(6)、设于烧结机轨道(6)的烧结机台车(3)、位于烧结机头部的点火装置、以及燃气喷吹装置，所述燃气喷吹装置设于烧结机的燃气喷吹位置以在所述烧结机台车(3)从其所在的位置经过时向所述烧结机台车(3)的烧结料面喷吹燃气；其特征在于，进一步包括喷雾装置(9)，所述喷雾装置(9)设于所述点火装置与燃气喷吹装置之间的位置，以在所述烧结机台车(3)从其所在的位置经过时向所述烧结机台车(3)的烧结料面喷吹冷却介质，使烧结料面温度降低至燃气着火温度以下。

2.根据权利要求1所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述喷雾装置(9)包括多个喷雾单元，各所述喷雾单元分别包括设有喷吹口的外罩(91)、设于所述外罩(91)内部的喷水部件和雾化部件，所述喷水部件喷出的冷却水经所述雾化部件雾化后从所述外罩(91)的喷吹口喷出。

3.根据权利要求2所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述雾化部件包括设于所述喷水部件喷水路径上的一次雾化机构和设于所述一次雾化机构下游的二次雾化机构。

4.根据权利要求3所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述一次雾化机构包括设有转轴(95)的辐条(93)以及驱动所述辐条(93)旋转的辐条电机(98)；和/或，所述二次雾化机构包括设有转轴(95)的扇叶(94)以及驱动所述扇叶(94)旋转的扇叶电机(96)。

5.根据权利要求4所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述外罩(91)在底部位置设有集水槽(97)。

6.根据权利要求2所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述喷水部件包括进水主管(921)、多个支管(922)、环管(923)以及喷头组件(924)；所述进水主管(921)大体处于所述环管(923)的中心处，各所述支管(922)的一端连通所述进水主管(921)，另一端连通所述环管(923)；所述喷头组件(924)沿圆周方向排列分布并与所述环管(923)相连通。

7.根据权利要求6所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述喷头组件(924)沿圆周方向在扇形范围或整圆范围内排列分布，各所述喷头组件(924)分别设有多个沿径向方向排列分布的喷头。

8.根据权利要求1所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机，其特征在于，所述喷雾装置(9)在烧结机上位于所述烧结机台车(3)的侧方位或者位于所述烧结机台车(3)的上方区域。

9.喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法，用于控制上述权利要求4或5所述喷雾降温式燃气喷吹烧结机，包括：

测量点火装置出口处料面温度T_测量；

确定雾化水量Q_雾；

确定扇叶旋转角速度W₁；

调节扇叶电机转速，使扇叶角速度至W₁；

确定雾化直径D_雾；

确定辐条转速W₂；

调节辐条电机转速，使辐条角速度至W₂。

10.根据权利要求9所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法，其特征在于，根据公式

计算雾化水量Q_雾，式中Q_料是表层烧结矿物料量；C_料是物料平均比热容；T_测量和T_目标分别是料面温度测量值和料面目标冷却温度；C_雾是雾化水平均比热；T_水1和T_水2分别是水雾与料面换热前后的温度。

11.根据权利要求9所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法，其特征在于，根据公式

计算扇叶旋转角速度W₁，式中k3是比例系数。

12.根据权利要求9所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法，其特征在于，根据公式

和k＝k₁·k₂计算雾化直径D_雾，式中，k1和k2分别是粒径D_雾和机速V_机相对料面温差的相关系数。

13.根据权利要求9所述的喷雾降温式燃气喷吹烧结机控制方法，其特征在于，根据公式

计算辐条转速W₂，式中k₄是综合比例系数。

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